La démarche de projet en technologie : le projet "moulin monte charge"

Document pour la formation des enseignants

Avant propos :

Cette formation complète celle consacrée au projet « porte-nom » : les objectifs « stagiaire-enseignant » complètent ceux déjà présentés et privilégient la  réfléxion sur les connaissances à construire et les moments privilégiés qui permettent de  les structurer.

Besoin :
Nous désirons soulever une charge sur une hauteur de 1 mètre environ mais en utilisant exclusivement une énergie renouvelable.

Idées :
On peut imaginer utiliser la force de l'eau, du vent ou bien encore l'énergie solaire. Si un ruisseau non dangereux coule à proximité, il sera possible d'essayer de construire un monte charge hydraulique (on peut aussi créer une chute d'eau à partir d'un seau percé, placé en hauteur).
L'utilisation de l'électricité est envisageable si l'on est équipé de cellules photovoltaïques, mais l'idée la plus simple à mettre en œuvre est d'exploiter l'énergie éolienne et de concevoir un moulin monte charge. L'énergie éolienne est utilisée (développement durable oblige) directement à l'extérieur ou bien, temporairement uniquement (!), en la produisant artificiellement à l'aide d'un sèche cheveux.
Remarque :
Quelle que soit l'énergie choisie, le principe général retenu est toujours le même, à savoir faire tourner un arbre dont l'énergie mécanique sera utilisée pour monter la charge. Il s'agit là, bien entendu d'une solution technique (voir dans le dossier du « porte-nom » les remarques à propos des solutions techniques); mais il n'y a guère d'autres solutions aisément réalisables par les stagiaires. La rotation de l'arbre est implicitement admise à partir du moment où l'on décide de parler de moulin. Il s'agit d'ailleurs d'un préalable nécessaire qui aidera à préciser l'intitulé de la deuxième fonction du cahier des charges ci-dessous.

Cahier des charges :
Le « moulin à vent monte charge » DOIT :

Éléments de réflexion à partager avec les stagiaires :

Rappel : les stagiaires vivent une grande partie de la séance de formation en position d'élèves. Les analyses et remarques diverses s'appuient tout autant sur le vécu des stagiaires-élèves lors de la formation que sur la mise en place de la démarche technologique en classe. Pour simplifier, seul, le terme « stagiaire » sera employé.

Remarques importantes concernant le cahier des charges du moulin monte charge :
Il existe une différence importante entre le projet « porte-nom » et et le projet « moulin monte charge » car ce dernier est un projet plus technique. Si toutes les fonctions du « porte nom » peuvent être critérisées aisément par des « non spécialistes », ce n'est pas le cas du projet « moulin monte charge » et particulièrement pour la fonction F2.
En effet, dans le cadre d'une première fabrication, les connaissances mécaniques nécessaires ne seront vraisemblablement pas connues des stagiaires et c'est à travers la réalisation même du projet que ces notions vont être touchées du doigt. La conséquence principale est qu'il ne sera pas possible de définir les critères d'appréciation de la fonction « tourner ». Si des stagiaires n'ont jamais réalisé précédemment de projet de type mécanique, ils ne peuvent évidemment pas inventer ces critères, ni même les comprendre. Ceux-ci ne seront formulés que lors de l'analyse des prototypes et constitueront alors de nouvelles connaissances:
Critères :
absence de frottement
jeu fonctionnel
liberté en rotation
limitation de la translation
contraintes géométriques diverses
Par contre, et l'expérience l'a montré, ces notions sont très bien perçues par les stagiaires lors des premiers essais de fonctionnement de leurs prototypes et particulièrement lorsque des problèmes techniques se posent. Une analyse collective guidée par l'enseignant (ou le formateur), permet d'abord d'identifier les dysfonctionnements puis de rechercher des pistes d'améliorations possibles. Ensuite, lors de la structuration de connaissances, les concepts et principes associés sont formalisés et... mémorisés.
Intérêt :
Cette perception des problèmes de frottements et de jeux fonctionnels permet aux stagiaires, lors d'un deuxième projet nécessitant le montage de pièces mobiles (réalisation d'un véhicule par exemple), de transférer parfaitement ces nouvelles connaissances. Ils précisent alors tout de suite, lors de l'élaboration du cahier des charges de la voiture (ou autre), les critères mécaniques à respecter impérativement !
Prise en compte de la complexité du projet :
Compte tenu des remarques ci-dessus, les projets « porte nom » et « moulin à vent » ne peuvent pas être menés exactement de la même façon. En ce qui concerne le porte nom, on demande aux stagiaires-stagiaires de réaliser tout de suite un prototype complet du projet en cherchant alors à répondre directement à l'ensemble des fonctions du cahier des charges. Pour le projet moulin, il est nécessaire de proposer plusieurs étapes afin de répartir les recherches et d'échelonner ainsi les acquisitions de connaissances associées.

Importance de l'expérimentation :
Lorsque la réalisation d'un projet a pour objectif, comme ici, la découverte de principes scientifiques ou techniques, le formateur doit d'abord identifier lui même les connaissances à acquérir et, pour chacune d'elles, laisser du temps aux stagiaires afin qu'ils puissent faire leurs propres expérimentations. Les stagiaires n'ont pas tous les mêmes idées, les mêmes hypothèses, les mêmes protocoles à mettre en œuvre et à tester, et HEUREUSEMENT ! Il faut donc que chaque groupe puisse réaliser ses propres recherches, identifier les problèmes qui se posent et proposer différentes pistes de remédiation...
Voilà qui est très bien mais à condition de ne pas oublier une CONTRAINTE ESSENTIELLE ! Pour pouvoir mener ainsi ce type de travail, il faut que tout cela ait du SENS POUR LES STAGIAIRES !
Rappel (voir dossier « porte-nom ») :
La séance doit impérativement avoir du SENS afin que les stagiaires puissent expérimenter avec une certaine  autonomie et qu'ils soient capables, lors du bilan, de participer activement à une évaluation réelle et argumentée du travail effectué. Même si la séance est d'abord pensée par le formateur, cela doit devenir la séance du stagiaire et non la séance du formateur ! Les stagiaires doivent alors participer à l'élaboration du contrat de séance afin de savoir exactement ce qu'ils vont faire et pourquoi.
La réalisation d'une trace écrite relatant les recherches personnelles, les difficultés rencontrées et présentant des schémas explicatifs est indispensable !
Recherche de solutions techniques :       
La recherche de solutions techniques peut  être découpée en 3 étapes qui correspondent pour chacune à des  connaissances à disposer et/ou à construire :

• Etape 1 : chercher une solution technique pour répondre aux fonctions « capter le vent » et « tourner »

Lien entre l'action du vent et la réaction du capteur (rotation ou pas ? sens de rotation de l'arbre),  réflexions sur la capacité de capter plus ou moins le vent.
Connaissances mécaniques sur les frottements, les jeux fonctionnels et, en généralisant, sur les liaisons mécaniques entre 2 pièces (ou ensembles de pièces).
Identification de contraintes et caractéristiques géométriques pour certaines pièces ou usinages.

Les connaissances sont très nombreuses, ce qui permet de les adapter au niveau des stagiaires, depuis la simple mesure de longueur d'une pièce, la recherche d'un milieu, d'un centre, d'un diamètre, d'un angle donné, etc... jusqu'à la perception ou l'identification de l'importance d'un centre de gravité, etc..

   

Connaissances sur les transformations d'énergie (énergie éolienne/énergie mécanique)
Efficacité du système et perception de la notion de rendement

• Etape 2 : chercher une solution pour répondre à la fonction « monter une charge » le plus rapidement possible

Transmission et transformation de mouvement
Importance d'avoir une liaison complète entre 2 pièces si l'on veut pouvoir transmettre un mouvement (exemple : liaison entre capteur de vent et arbre).
Notion de puissance
Entrée/sortie d'un système
Compromis vitesse/puissance

• Etape 3 : chercher une solution pour répondre aux fonctions « être solide », « résister aux intempéries », « être stable » et « être esthétique »

Structures : formes, solidité, résistance.
Caractéristiques des matériaux
En terme d’ objectifs « stagiaire-élève » ces trois étapes peuvent se décliner de la façon suivanate

La présentation des objectifs « stagiaire-élève » n'intervient, pour ce projet, qu'après avoir élaboré le cahier des charges. Les intitulés des objectifs 1 et 2 sont évidemment très proches des fonctions du cahier des charges (voir explications dans la description du projet « porte-nom ») :

Pour l’étape 1

• Objectif 1

Construire un capteur de vent qui transforme le mieux possible l'énergie éolienne en énergie mécanique
- Les critères d'évaluation reprennent les critères d'appréciation de la fonction F1 du cahier des charges.
- La notion d'efficacité (approche de l'idée de rendement) sera perçue en comparant plusieurs prototypes de capteurs recevant la même énergie (moulins placés les uns à côté des autres à l'extérieur ou en intérieur, sèche cheveux placé à une même distance des capteurs et orienté de la même façon).

• Objectif 2

Trouver une solution permettant à l'arbre de tourner le mieux possible
- Comme pour le cahier des charges, les critères ne peuvent pas être définis. La structuration de connaissances permettra de les formuler à posteriori (voir critères présentés plus haut).

• Objectif 3

Expliquer sur un panneau (feuille A1) les choix techniques effectués par le groupe
Critères possibles :
- dessins clairs
- couleurs
- légendes
- explications écrites compréhensibles
- respect de l'orthographe
- vocabulaire précis
et lors de la présentation orale :
- explications compréhensibles
- présentation audible depuis le fond de la salle
- etc...

• Objectif 4

Réaliser un travail de groupe
Critères possibles :
- écoute de l'autre
- partage des tâches
- acceptation d'un choix ou d'une décision prise par la majorité
etc...
On constate que pour cette première étape, 2 objectifs (n°s 1 et 2) sont directement associés à des connaissances précises que les stagiaires (et stagiaires) doivent acquérir et 2 objectifs (n°s 3 et 4)  concernent l'organisation du travail de groupe d'une part et l'implication et le comportement d'autre part (lien direct avec les compétences du socle commun).
Pour l’étape 2, on ne retiendra qu’un seul objectif :
Trouver une solution pour monter une charge de 150g le plus rapidement possible

Mise à part la durée de montée de la charge, aucun critère ne pourra être défini concernant cet objectif mais comme pour la fonction « doit tourner », la structuration de connaissances permettra de formuler et d'approfondir les connaissances listées plus haut.

Recherche de solutions techniques (1ère étape : 45 min  -  2ème étape : 30 min)

Recherche des capteurs : il est possible, comme pour le projet porte nom, d'interdire la réalisation d'une solution simple et déjà connue de tous qui est celle des moulins classiques réalisés à partir d'une plaque ou feuille carrée. Cela rend incontournable la recherche de solutions originales.
L'élévation d'une charge sur une hauteur d'environ 1 mètre sera rendue possible en posant son prototype de moulin au bord d'une table.

La recherche de solutions techniques s'effectue par groupes de 2 ou 3 afin de favoriser les échanges, les argumentations dans le groupe et la réalisation d'une trace écrite collective.
Lors de la séance de formation, deux des trois étapes proposées sont réalisées. La recherche d'une structure sera effectuée si des groupes ont terminé en avance. En classe (ou lors d'une seconde demi-journée de formation), il est souhaitable, pour cette 3è étape, de chercher à remplacer les bouteilles d'eau ou les bouteilles de lait (ou autres) par une véritable structure. Dans ce cas, les solutions permettant de répondre aux fonctions de solidité et de stabilité devront alors être bien étudiées.
Approche scientifique :
Avec le type de moulins fabriqués, il est impossible d'obtenir conjointement en sortie, vitesse et puissance. Dans le cadre du défi de réussir à monter la charge le plus rapidement possible, il faudra, déjà, essayer de capter le maximum de vent pour avoir le plus d'énergie mécanique disponible sur l'arbre du moulin. Ensuite, à partir de cette énergie mécanique récupérée, 2 paramètres sont à prendre en compte :
- la vitesse de montée de la charge
- la puissance du monte charge :(capacité de relever une charge de masse plus ou moins importante)
Pour une bonne compréhension du principe physique, bien respecter les conditions d'une expérimentation scientifique en ne faisant varier qu'un paramètre à la fois.
Le besoin en puissance étant déterminé (relever une masse de 150g), il faudra faire varier uniquement la vitesse en modifiant le diamètre du tambour. Au delà d'un certaine vitesse (diamètre du tambour trop grand), le système ne fonctionne plus.
Un approfondissement de ce principe est proposé en structuration de connaissances en analysant divers objets techniques comme par exemple une chignole à 2 vitesses ou le dérailleur de vélo.
Il sera aussi intéressant d'inverser le défi et de chercher à faire monter la plus forte charge possible. Il faudra alors diminuer au maximum le diamètre du tambour afin de réduire le plus possible la vitesse de montée de la charge (comparaison avec la montée d'une côte en vélo, montée qui nécessite plus de puissance).

Présentation des réalisations (30 minutes)

Chaque groupe présente sa réalisation et sa trace écrite en argumentant ses choix et en validant (ou pas) ses solutions par rapport au cahier des charges.

Les réalisations peuvent être nombreuses et variées. On peut imaginer avec le prototype de capteur en tissu ci-dessus, des liens possibles avec la littérature (lettres de mon moulin) et l'évolution historique et technique des moulins.

Poursuite de l'étude, développements possibles, pistes de recherches...

(lors d'une nouvelle séance de formation ou en classe avec les stagiaires) :
Chaque groupe a présenté son prototype et ses solutions techniques. On peut envisager ensuite la construction d'un seul moulin monte charge reprenant les solutions techniques jugées les meilleures, que ce soit au niveau fonctionnel ou par rapport à la fonction d'estime. Ce monte charge éolien peut, en outre, être réalisé à une échelle plus grande et installé à l'extérieur.
On peut également fabriquer un monte charge hydraulique pour comparer les caractéristiques (avantages et inconvénients) des deux types d'énergie.
De très nombreuses recherches encyclopédiques (ouvrages, documents numérisés sur cédérom, sur dévédérom ou sur l'internet ) peuvent être menées de façon pertinente ; pertinente car il y a une grande partie visuelle concernant l'évolution technique des moulins, ce qui facilitera le travail de recherche des stagiaires. C'est d'ailleurs l'occasion de mener conjointement un travail sociologique et culturel, technique et historique avec par exemple des recherches sur les norias et autres systèmes mus par la force humaine ou animale, l'eau ou le vent, les monte-charges depuis l'antiquité, le moyen‑age et ses cages d'écureuil, etc...

Annexes :

Préparation matérielle :

Intentions :
La réalisation de prototypes de moulins est l'occasion de donner des conseils pour concevoir un coin « usinages » dans une classe, pour encourager l'utilisation d'un certain nombre d'outils tout en respectant les règles élémentaires de sécurité. Au demeurant, il est nettement moins dangereux de faire utiliser une chignole dans de bonnes conditions à un élève (même en grande section de maternelle) plutôt que de le laisser essayer de trouer une bouteille en plastique avec la pointe d'un compas ou un crayon bien pointu !
La règle de base à respecter absolument est que tout matériau ou objet à usiner (découpage, sciage, perçage...) doit être mis en position et immobilisé à l'aide d'une boîte à onglet, d'un montage d'usinage adapté, d'un serre joint, d'un étau.

L'usinage (découpe ou perçage) des bouteilles d'eau ou de lait est problématique et peut être dangereux. Il suffit de réaliser avec 3 plaques de bois de 18 mm d'épaisseur (ou plus) un montage d'usinage semblable à celui d'une boîte à onglet mais adapté à la largeur ou au diamètre de la bouteille qui doit s'y insérer avec un léger serrage.

Montages d'usinages pour bouchons de bouteilles d'eau et de lait

Système rudimentaire mais efficace utilisant des coins de serrage. Toute pièce à usiner doit être maintenue en position, il s'agit d'une règle élémentaire de sécurité que les stagiaires (et stagiaires) doivent absolument s'approprier.